بزرگ‌ترین باتری حرارتی جهان: فنلاند چطور گرمای تابستان را برای زمستان نگه می‌دارد؟
فنلاند با پروژه ۳۰۰ میلیون یورویی وارانتو تا سال ۲۰۳۰، گرمای مازاد تابستان را در غارهای زیرزمینی برای گرمایش زمستانی شهر وانتا ذخیره می‌کند.
فنلاند با پروژه ۳۰۰ میلیون یورویی وارانتو تا سال ۲۰۳۰، گرمای مازاد تابستان را در غارهای زیرزمینی برای گرمایش زمستانی شهر وانتا ذخیره می‌کند.
شاید شما هم یک ظهر داغ مرداد، کلافه از آفتاب، با خودتان گفته باشید کاش می‌شد کمی از این گرما را برای شب‌های سرد دی نگه داشت. شاید باورش سخت باشد ولی فنلاند همین ایده را با پروژه‌ای ۳۰۰ میلیون یورویی عملی می‌کند!
زیر یکی از شلوغ‌ترین جاده‌های وانتا، شهری چسبیده به هلسینکی، کارگران راهی به دل سنگ باز می‌کنند. انتهای این راه به سه غار عظیم می‌رسد که هرکدام نزدیک ۳۰۰ متر طول و ۴۰ متر ارتفاع خواهند داشت، یعنی به‌راحتی یک ساختمان ده‌طبقه داخل هرکدام جا می‌شود.
قرار نیست کسی در این غارها زندگی کند یا کالایی در آن‌ها انبار شود. چند سال دیگر، غارها پر از آب داغ می‌شوند. دمای آب به ۱۴۰ درجه‌ی سانتی‌گراد می‌رسد، ولی نمی‌جوشد و گرمایی را در خود نگه می‌دارد که شهر فعلا لازمش ندارد. درواقع وانتا گرمای اضافه‌اش را دور نمی‌ریزد، آن را زیر زمین پنهان می‌کند تا ماه‌ها بعد دوباره بیرونش بکشد.
چکیده مقاله: فنلاند در پروژه‌ی Varanto سه غار عظیم را زیر شهر وانتا به مخزن فصلی گرما تبدیل می‌کند. این مجموعه با ظرفیت ۹۰ گیگاوات‌ساعت، گرمای مازاد تابستان، نیروگاه زباله‌سوز و برق ارزان را در آب تا ۱۴۰ درجه ذخیره خواهد کرد و زمستان آن را به شبکه‌ی گرمایش شهری بازمی‌گرداند. فشار زیرزمین مانع جوشیدن آب می‌شود و چینه‌بندی حرارتی اتلاف را کاهش می‌دهد. پروژه‌ی ۳۰۰ میلیون یورویی اکنون در حال حفاری است و طبق برنامه‌ی فعلی در ۲۰۳۰ وارد مدار خواهد شد.
پروژه‌ی فنلاند با نام وارانتو (Varanto) شناخته می‌شود؛ واژه‌ای به معنای اندوخته. عمیق‌ترین بخش مجموعه حدود ۱۴۰ متر زیر زمین قرار می‌گیرد و ظرفیت ذخیره‌اش به ۹۰ گیگاوات‌ساعت انرژی حرارتی می‌رسد. اگر برنامه‌ی فعلی جلو برود و مخزن در سال ۲۰۳۰ وارد مدار شود ، از نظر حجم و ظرفیت از همه‌ی مخزن‌های غاری مشابه جهان پیشی خواهد گرفت.
باتری زیرزمینی فنلاند با این ایده توسعه می‌یابد که در روزها و فصل‌هایی که گرما بیشتر از نیاز تولید می‌شود، انرژی به‌جای هدررفتن در آب زیرزمین ذخیره شود و چند ماه بعد که سرمای زمستان مصرف گرمایش را بالا می‌برد، انرژی ذخیره‌شده به شبکه‌ی شهری برگردد.
سه غار غول‌آسا شاید چشمگیرترین بخش ماجرا باشند، اما گرمای تابستان چطور ماه‌ها در اعماق زمین دوام می‌آورد و چرا آب ۱۴۰ درجه آن پایین نمی‌جوشد؟
پروژه‌ی وارانتو را غالبا تحت نام باتری حرارتی معرفی می‌کنند، ولی شباهت چندانی به باتری گوشی یا خودروی برقی ندارد. برق قرار نیست وارد سلول‌های شیمیایی شود و بعداً دوباره به شکل برق بیرون بیاید. انرژی مستقیماً به شکل گرما در آب می‌ماند؛ تقریباً همان کاری که آب‌گرم‌کن خانه انجام می‌دهد، فقط در ابعادی که تصورش سخت به نظر می‌رسد.
هر غار حدود ۲۰ متر عرض، ۴۰ متر ارتفاع و ۳۰۰ متر طول دارد. حجم آب هر سه غار روی هم به حدود ۹۰۰ هزار مترمکعب می‌رسد و با تونل‌ها، شفت‌ها و فضاهای فرایندی، کل مجموعه‌ی زیرزمینی از حدود ۱٫۱ میلیون مترمکعب فراتر می‌رود.
ظرفیت گرمایی این مخزن با حدود ۱٫۳ میلیون باتری خودروی برقی برابری می‌کند
استفاده از آب برای چنین پروژه‌ای مزایای خاص خودش را دارد، مثلا گرم‌کردنش انرژی زیادی می‌خواهد و وقتی سرد می‌شود، بخش بزرگی از همان انرژی را پس می‌دهد. هرچه حجم آب بیشتر و اختلاف دمای قابل‌استفاده بزرگ‌تر باشد، گرمای بیشتری در مخزن جا می‌گیرد.
شرکت وانتان انرژیا (Vantaan Energia)، سازنده‌ی پروژه، می‌گوید ظرفیت ۹۰ گیگاوات‌ساعتی وارانتو با انرژی حدود ۱٫۳ میلیون باتری خودروی برقی برابری می‌کند. محاسبات منطقی هم این مقایسه را تأیید می‌کند؛ کافی است برای هر خودرو باتری‌ای حدود ۶۹ کیلووات‌ساعتی در نظر بگیریم. به گفته‌ی شرکت، یک مخزن پر معادل حدود ۸ میلیون یورو گرمای شبکه‌ی شهری وانتا ارزش دارد.
مقایسه وارانتو با باتری خودرو فقط از نظر مقدار انرژی معنا پیدا می‌کند. باتری برق ذخیره می‌کند و می‌تواند همان برق را بعداً به هر مصرفی بدهد. اما خروجی وارانتو با گرما تعریف می‌شود، آن هم فقط برای شبکه‌ی گرمایش شهری.
شرکت وانتان انرژیا می‌گوید انرژی یک مخزن پر، نیاز گرمایشی یک شهر متوسط فنلاندی را برای یک سال تأمین می‌کند. اگر ایده‌ای از شهر متوسط فنلاندی در ذهنمان نداشته باشیم، می‌توانیم تصور کنیم که اگر وارانتو با حداکثر توان اعلام‌شده، یعنی ۲۰۰ مگاوات، بی‌وقفه تخلیه شود، ذخیره‌ی کاملش حدود ۱۹ روز دوام می‌آورد.
به ساعات اوج تولید گرما و ساعت مصرف انرژی فکر کنید که هیچ‌وقت با هم هماهنگ نیستند. در تابستان، ساختمان‌ها به گرمایش چندانی نیاز ندارند، اما بعضی منابع همچنان گرما تولید می‌کنند. نیروگاه زباله‌سوز وانتا تمام سال کار می‌کند و بخشی از گرمای پردازش زباله در ماه‌های گرم خریداری ندارد.
زمان تولید گرما همیشه با زمان نیاز شهر به آن یکسان نیست
گاهی هم برق بادی یا خورشیدی درست در ساعتی فراوان و ارزان می‌شود که شبکه‌ی گرمایش عجله‌ای برای گرفتن انرژی ندارد. در زمستان ماجرا برعکس می‌شود. تقاضای گرمایش اوج می‌گیرد و درست در سردترین ساعت‌ها، برق هم گران‌تر می‌شود.
اگر بخشی از گرمای مازاد تابستان یا ساعت‌های ارزان کنار گذاشته شود، شبکه دیگر مجبور نیست همه‌ی نیاز زمستان را همان لحظه تولید کند. ذخیره‌سازی فصلی دقیقاً روی همین منطق بنا می‌شود. انرژی را وقتی فراوان و کم‌ارزش‌تر است بگیرید و وقتی تقاضا بالا رفت تحویل بدهید.
ورودی‌های پیش‌بینی‌شده‌ی وارانتو گرمای پردازش حرارتی زباله، دیگر گرماهای اتلافی و گرمای تولیدشده در ساعت‌های ارزانی برق را در برمی‌گیرند. برای بخش آخر، دو دیگ الکترودی فشارقوی ۶۰ مگاواتی در پروژه نصب می‌شوند.
شرکت نروژی Parat Halvorsen دیگ‌های مورد نیاز را تأمین می‌کند. دیگ‌ها با ولتاژ ۲۰ کیلوولت کار می‌کنند و در ساعت‌های ارزانی برق، هم مستقیماً به شبکه‌ی گرمایش شهری گرما می‌دهند و هم وارانتو را شارژ می‌کنند.
وارانتو انرژی ارزان یا مازاد را از دوره‌های کم‌مصرف به زمستان منتقل می‌کند
برق دیگ‌ها زیرساخت جداگانه‌ای لازم دارد؛ به‌همین‌دلیل از اوت ۲۰۲۶، ساخت مسیر یک کابل زیرزمینی ۱۱۰ کیلوولت میان پست برق Hakkila و وارانتو کلید خورد. اوایل نوامبر قطعات کانال کابل هم نصب شدند و کارگران شب‌ها، از ۹ شب تا ۶ صبح، روی کمربندی سوم هلسینکی (Kehä III) کار می‌کنند. طبق برنامه، کل مسیر کابل در نیمه‌ی دوم ۲۰۲۷ تکمیل می‌شود.
در گزارش‌های عمومی از دیتاسنترها و حتی واحدهای احتمالی تولید هیدروژن هم به‌عنوان منابع آینده‌ی گرمای اتلافی نام برده‌اند. طرح اقتصادی پروژه می‌گوید وقتی محصول نهایی گرماست، ذخیره‌ی برق در باتری و تبدیل دوباره‌اش به گرما همیشه بهترین مسیر نیست.
آب و سنگ می‌توانند همان انرژی حرارتی‌ای را مستقیم نگه دارند که شبکه‌ی شهری در زمستان می‌خواهد و هرچند انعطاف باتری برقی را ندارند، اما در شهری با شبکه‌ی گرمایش گسترده، هم ارزان‌ترند و هم ساده‌تر.
عدد ۱۰۰ درجه فقط در فشار معمول هوا معنا دارد. هرچه فشار بالاتر برود، آب باید داغ‌تر شود تا به بخار تبدیل شود و برای همین زودپز غذا را سریع‌تر می‌پزد. در دمای ۱۴۰ درجه، آب برای مایع‌ماندن به فشاری بیش از حدود ۳٫۶ بار مطلق نیاز دارد. وارانتو این فشار را با ترفندی ساده تأمین می‌کند؛ مخزن را در عمق و پایین‌تر از سطح آب زیرزمینی می‌سازد.
کف غارهای اصلی حدود ۱۰۰ متر زیر سطح زمین قرار می‌گیرد و عمیق‌ترین بخش مجموعه به حدود ۱۴۰ متر می‌رسد. به گفته‌ی شرکت سازنده، فشار آب زیرزمینی در این عمق اجازه می‌دهد آب مخزن تا ۱۴۰ درجه گرم شود و همچنان مایع بماند.
فشار آب زیرزمینی کمک می‌کند آب ۱۴۰ درجه‌ای همچنان مایع بماند
نکته‌ی مهم اینکه کارکرد مخازن را نمی‌توان صرفا با عمیق بودن تضمین کرد. سنگ باید آب‌بندی شود و نفوذ آب زیرزمینی تحت کنترل باشد و فشار در طول کارکرد مخزن در محدوده‌ی طراحی بماند. پژوهشگران برای طراحی وارانتو اثر هم‌زمان انتقال گرما، جریان آب زیرزمینی و تنش‌های وارد بر سنگ را شبیه‌سازی کرده‌اند.
وارانتو در اصل چند دیگ بخار عظیم نیست؛ مخزن آب داغی‌ست که فشار محیط زیرزمین کارکردش در دمای بالا را ممکن می‌کند. مایع‌ماندن آب اهمیت عملی هم دارد چون آب مایع را می‌شود پمپ کرد، لایه‌های گرم و سردش را مدیریت کرد و گرما را با کنترل بیشتری از مخزن گرفت. اگر آب به‌طور گسترده بخار شود، حجم و فشار به‌شدت تغییر می‌کنند و کل طراحی پیچیده‌تر می‌شود.
در زمان شارژ، گرمای مازاد به آب مخزن منتقل می‌شود. آب گرم‌تر بالا می‌رود و آب سردتر پایین می‌ماند. تا وقتی لایه‌ها بیش از حد با هم مخلوط نشوند، مخزن می‌تواند دمای مفیدش را برای مدت طولانی حفظ کند، پدیده‌ای که چینه‌بندی حرارتی نامیده می‌شود.
چینه‌بندی حرارتی، آب داغ را بالا و آب سردتر را پایین نگه می‌دارد
به‌جای اینکه کل مخزن به یک دمای متوسط و ولرم برسد، آب داغ و سرد تا حد ممکن در لایه‌های جدا می‌مانند. در نتیجه، حتی وقتی بخشی از انرژی تخلیه شده، هنوز می‌شود از لایه‌ی بالایی آب داغ گرفت. مدل منتشرشده‌ی وارانتو مخزن را با سازوکار مشابهی شبیه‌سازی می‌کند و جهت حرکت آب را هنگام شارژ و تخلیه معکوس در نظر می‌گیرد.
زمستان، مسیر انرژی برعکس می‌شود. گرما از آب داغ مخزن گرفته و به شبکه‌ی گرمایش شهری منتقل می‌شود. آب سردتر به بخش پایینی مخزن برمی‌گردد تا در چرخه‌ی بعد دوباره گرم شود.
حداکثر توان تخلیه‌ی ۲۰۰ مگاوات هم نشان می‌دهد وارانتو فقط برای نگه‌داشتن آرام گرما ساخته نمی‌شود. در ساعت‌هایی که مصرف ناگهان بالا می‌رود، مخزن می‌تواند در مدت کوتاهی حجم زیادی گرما به شبکه تزریق کند.
هیچ مخزنی گرما را برای همیشه نگه نمی‌دارد. در وارانتو هم بخشی از انرژی به سنگ اطراف، لوله‌ها، شفت‌ها و تجهیزات نشت می‌کند و مقداری از گرمای قابل‌استفاده با مخلوط‌شدن آب داغ و سرد از دست می‌رود.
ابعاد غول‌آسای مخزن اینجا به کمک می‌آید، زیرا با بزرگ‌شدن یک مخزن، حجمش سریع‌تر از سطح تماسش با محیط رشد می‌کند. پس به‌ازای هر مترمکعب آب، سطح کمتری با دیواره‌های سنگی تماس دارد و گرما راه‌های کمتری برای فرار پیدا می‌کند.
در چرخه‌های نخست، سنگ اطراف غار بخشی از گرمای آب را می‌گیرد و خودش گرم می‌شود. در ابتدا، این گرما اتلاف حساب می‌شود، اما کم‌کم اختلاف دمای آب و سنگ کمتر و نشت گرما هم کندتر می‌شود. بخشی از انرژی‌ای که وارد سنگ شده، هنگام سردشدن مخزن دوباره به آب برمی‌گردد.
بزرگی مخزن، اتلاف گرما را به‌ازای هر مترمکعب آب کاهش می‌دهد
چینه‌بندی حرارتی هم نقش مهمی بازی می‌کند، زیرا اگر آب داغ بالای مخزن و آب سرد پایین آن جدا بمانند، لازم نیست کل ۹۰۰ هزار مترمکعب آب در یک دمای یکسان نگه داشته شود. شبکه می‌تواند در مرحله‌ی تخلیه همچنان از بخش گرم‌تر مخزن انرژی با دمای مناسب بگیرد.
هدف وارانتو نگه‌داشتن گرما بدون ذره‌ای اتلاف از تابستان تا زمستان نیست؛ کافی‌ست بخش بزرگی از انرژی پس از چند ماه هنوز قابل‌بازیابی باشد. مرز ذخیره‌ی فصلی گرما با باتری‌ای که از آن انتظار داریم هر لحظه با همان کیفیت انرژی بدهد، دقیقاً همین‌جا کشیده می‌شود.
بازدهی واقعی وارانتو زمانی مشخص می‌شود که مخزن چند چرخه‌ی واقعی را پشت سر بگذارد. بااین‌حال، یک مطالعه‌ی شبیه‌سازی منتشرشده در ۲۰۲۵، برای یکی از سناریوهای طراحی با ظرفیت ۵۷٫۵ گیگاوات‌ساعت و دمای تزریق ۹۵ درجه، بازده ۶۷ درصدی را برآورد می‌کند.
بازده واقعی Varanto تنها پس از چند چرخه‌ی تابستان و زمستان مشخص می‌شود
مخزن گودالی Dronninglund در دانمارک ، طبق مطالعه‌ای بر پایه‌ی داده‌های پنج‌ساله، به بازده انرژی ۹۲ درصد رسید. ولی وارانتو بسیار بزرگ‌تر، عمیق‌تر و داغ‌تر از آن مخزن ساخته می‌شود، آن هم در دل سنگ. پس نمی‌شود درصد بازدهی مشابهی را برایش پیش‌بینی کرد.